秸秆富含氮、磷、钾等营养元素及生物质能源，其利用方式主要包括肥料化、饲料化、基料化、原料化和燃料化。秸秆产生量较大，利用率超过88%，形成了“以农用为主，五化并行”的综合利用格局[1]。秸秆离田利用受多种因素影响，成本和收益直接影响秸秆利用方式[2]。曹智宏等[3]研究表明，我国秸秆每年在能源化利用方面可折算为3.04亿t标煤，饲料化利用潜力则高达1.5亿t粮食当量，秸秆离田利用潜力巨大。江苏省兴化市地处江淮之间、里下河地区腹地，拥有耕地面积12.46万hm2，是重要的粮食主产区，以稻麦种植为主，每年粮食产量稳定在125万t左右，农作物秸秆资源丰富。本研究以兴化市为例，在对其农作物秸秆资源潜在经济价值进行评估的基础上，分析秸秆资源化成本和收益对秸秆利用方式的影响，探讨县域范围内实施农作物秸秆资源化的措施，为秸秆综合利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 数据来源
1.2 数据计算
1.2.1 农作物秸秆可收集总量
农作物秸秆可收集量估算模型如式（1） 。
式中，P为农作物秸秆可收集总量，Pi 为某种类农作物秸秆可收集量，Gi 为第i种农作物的年产量，λi 为第i种农作物秸秆的草谷比，ηi 为第i种农作物秸秆的收集系数。
1.2.2 农作物秸秆肥料折纯量
农作物秸秆肥料化利用价值估算模型如式（2） 。
式中，F为农作物秸秆肥料折纯量，Fi 为i类农作物秸秆单位养分（N、P、K）含量。按照尿素含氮量46%、过磷酸钙含磷量26%、硫酸钾含钾量44.8%，将农作物秸秆中N、P、K总量分别折算为尿素、过磷酸钙、硫酸钾量，再按照市场尿素价格1 700元/t、过磷酸钙850元/t、硫酸钾3 300元/t计算利用农作物秸秆替代化肥产生的潜在经济价值。
1.2.3 农作物秸秆燃料化利用价值
农作物秸秆燃料化利用价值估算模型如式（3 ）～（4 ）。
式中，N 1为农作物秸秆沼气能源化产生总量，Bi 为某种农作物单位秸秆产沼气量。
式中，N 2为农作物秸秆折算标准煤总量，Ci 为i类农作物秸秆标准煤转化系数。
按照市场标准煤900元/t、沼气3元/m3，折算农作物秸秆燃料化产生的潜在经济价值。
1.2.4 净收益
不同利用方式成本和收益计算如式（5） 。
式中， 为某种秸秆利用的净收益；Ct为该利用方式的总成本，包括秸秆收储运成本（Cl）和生产过程中的设备折旧和维护、能耗、人工成本等（Cp）；It 为该利用方式的总收益，包括产品收益（Ip）和副产品收益以及政府补贴等其他收益（Io）。
2 结果与分析
2.1 研究区秸秆可收集总量
表1 2019—2023年研究区主要农作物秸秆可收集量和潜在经济价值 |
| 年份 | 可收集量/万t | 折肥量及价值 | 折煤量及价值 | 折气量及价值 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 肥料折纯量/t | 经济价值/亿元 | 标煤折算量/万t | 经济价值/亿元 | 折算量/万m3 | 经济价值/亿元 | ||
| 2019 | 119.83 | 30 238 | 1.80 | 55.0 | 4.95 | 53 741.3 | 16.12 |
| 2020 | 120.59 | 30 481 | 1.82 | 55.4 | 4.99 | 54 120.9 | 16.24 |
| 2021 | 120.92 | 30 619 | 1.83 | 55.5 | 5.00 | 54 271.8 | 16.28 |
| 2022 | 121.22 | 30 677 | 1.83 | 55.7 | 5.02 | 54 392.6 | 16.32 |
| 2023 | 122.45 | 31 029 | 1.85 | 56.3 | 5.07 | 54 912.8 | 16.47 |
2.2 研究区秸秆资源化价值
由表1可知，2019—2023年研究区农作物秸秆肥料折纯量在30 238～31 029 t，呈缓慢增长趋势，2023年折合肥料的潜在经济价值为1.85亿元，研究区耕地面积12.46万hm2，秸秆肥料化产生的潜在经济价值为1 485元/hm2。2019—2023年研究区农作物秸秆折算标煤和理论产沼气量总体比较稳定，2023年农作物秸秆全部燃料化利用可替代56.3万t标准煤，潜在经济价值5.07亿元，可使耕地平均增收4 069元/hm2。若农作物秸秆全部沼气化利用，理论可产生54 912.8万m3沼气，潜在经济价值16.47亿元，能使耕地平均增收13 218元/hm2。从理论计算来看，秸秆沼气化潜在的经济价值最大。
2.3 秸秆资源化利用成本和收益
秸秆不但具有肥料化和燃料化价值，还能用于生产饲料、工业生产原料和食用菌基料等，其资源化利用方式受成本、收益等因素影响。
2.3.1 秸秆还田肥料化成本和收益
2022—2023年，研究区夏季实施麦秸秆机械化还田，成本在450～750元/hm2，秋季实施稻秸秆犁耕深翻还田，成本在750～1 350元/hm2。2023年《江苏省统计年鉴》显示，全省水稻平均产量为9.0 t/hm2，小麦平均产量为5.7 t/hm2，按水稻、小麦草谷比分别为1.28和1.38计算，秸秆还田需增加的平均机械成本在61.9～108.3元/t，折中取85.1元/t。按研究区机械还田300元/hm2、犁耕深翻还田600元/hm2补助计算，秸秆还田补助为46.4元/t。秸秆还田降低化肥成本300～600元/hm2，折中为23.2元/t。研究区2013—2023年小麦和水稻平均每年增产均为90 kg/hm2，稻谷和小麦收购平均价格分别按2.57和2.34元/ kg计算，增产收益为22.8元/t。
2.3.2 秸秆燃料化成本和收益
秸秆燃料化主要包括发电、沼气、制备乙醇等方式。目前，秸秆燃料化利用方式，投资成本较高。调查显示，秸秆收储运成本为300元/t，生物质电厂运行成本约300元/t，每t秸秆发电平均960 kWh，按国家对生物质发电上网补贴电价0.75元/kWh计，发电收益为720元/t，按国家标杆电价0.39元/kWh计，发电收益为374.4元/t。1 t秸秆燃烧发电产生75 kg草木灰，草木灰市场价格按360元/t，副产品收益为27元/t。
秸秆沼气化投资高，可达上亿元。秸秆就近收储运成本280元/t；规模和技术对秸秆沼气化生产成本影响较大，在240～560元/t[6]。1 t秸秆发酵可提纯沼气240 m3、生物天然气上网按国家补贴价格3元/m3计算，收益为720元/t。1 t秸秆可产生约2倍重量的沼渣，沼渣售价35元/t，沼渣收益70元/t。
2.3.3 秸秆饲料化成本和收益
秸秆中含有大量的纤维、粗蛋白等营养物质，经加工可制备为牛羊等草食动物的饲料。规模化的秸秆饲料生产自动化程度较高，投资需数千万元。饲料加工企业就近收储运秸秆成本为280元/t，每t秸秆氨化处理需加尿素45 kg，尿素市场价格1 700元/t，添加尿素成本为76.5元/t，加工费用为200元/t。1 t秸秆氨化材料相当于0.3 t精饲料，1 t精饲料市场价2 000元，饲料收益为600元/t，每头牛每摄入1 t秸秆大约可产生有机厩肥3.7 t，有机厩肥20元/t，肥料收入为74元/t。
2.3.4 秸秆基料化成本和收益
在木屑培养基中添加适量农作物秸秆或替代木屑，可缓解食用菌原料短缺问题。资料显示，1 t稻草可加工1 667个菌袋，与原有基质相比，每个菌袋节约成本0.1元，稻草基料化产生的收益为166.7元/t。
2.3.5 秸秆原料化成本和收益
以秸秆为原材料，可以制备各种产品，包括造纸、人造板、纤维草毯、草帘和草绳等，是秸秆离田高值利用的重要方向。秸秆造纸投资高，从十几亿元到百亿元不等。秸秆造纸原料收储运300元/t，2.2 t秸秆制备1 t草浆，草浆生产成本按4 500元/t计，售价5 000～5 600元，则秸秆制浆成本为2 046元/t，收益在2 273～2 546元。秸秆加工成草制品投入成本低，属于劳动密集型产业，人工成本高，收益受市场行情影响较大。
由表2可知，秸秆还田总成本最低，为85.10元/t，净收益仅为7.29元/t。一般认为，秸秆还田能够提高土壤肥力，促产增收，但也有研究认为，连年长期还田，影响作物根系生长，增加种子用量和病虫害风险，影响作物产量，急需进行离田处理[7]。秸秆离田发电、沼气化和造纸利用投资门槛高，收益受技术、市场行情等影响，存在较大的波动。少部分秸秆沼气化项目技术领先，成本低，秸秆沼气化收益可达270元/t，大部分项目规模较小、成本偏高，净收益处于亏损状态[6]。秸秆造纸生产成本高，受技术和市场行情影响，产品收益和净收益存在较大波动。秸秆饲料化净收益高，达到117.50元/t，是目前产业化水平和综合效益较高的利用模式[8]。
表2 秸秆不同利用方式投入产出比较 |
| 利用方式 | 成本/（元/t） | 收益/（元/t） | 净收益（In）/ （元/t） | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 收储运（Cl） | 生产（Cp） | 总成本（Ct） | 产品（Ip） | 其他（Io） | 总收益（It） | ||
| 还田 | 0 | 85.10 | 85.10 | 22.79 | 69.60 | 92.39 | 7.29 |
| 发电 | 300 | 300 | 600 | 720（374.40） | 27 | 747（401.40） | 147（-198.60） |
| 沼气 | 280 | 240～560 | 520～840 | 720 | 70 | 790 | -50～270 |
| 造纸 | 300 | 2 046 | 2 346 | 2 273～2 546 | 0 | 2 273～2 546 | -73～200 |
| 饲料 | 280 | 276.50 | 556.50 | 600 | 74 | 674 | 117.50 |
2.4 农作物秸秆综合利用状况
根据统计资料，2022年研究区水稻、小麦、油菜、大豆秸秆可收集量总量为98.31万t，秸秆综合利用率95.2%，比全国秸秆综合利用率（89.8%）高5.4个百分点。
2.4.1 低成本肥料化利用方式为主导
研究区秸秆利用主要是低成本的肥料化方式，占比77.22%，比全国平均值高出10.91个百分点。秸秆肥料化利用分为直接还田和堆肥两种形式。研究区实施秸秆还田作业补助措施，不断提升秸秆直接还田利用比例，2022年达到69.83%，离田堆肥利用占比7.39%。
2.4.2 高投入燃料化利用比例低
2022年，研究区秸秆燃料化占比8.07%，比全国平均水平低1.24个百分点。研究区建有秸秆粪便发酵沼气企业，年消耗秸秆1万多t，其余主要销往邻近市县秸秆发电厂。研究区地处水网地区，耕地较为分散，影响大型机械的规模化作业，秸秆收储运成本较高，而销售价格不高，利润较低，导致燃料化利用率较低。
2.4.3 原料化利用比例高
研究区秸秆原料化利用率达到7.69%，较全国平均水平高出5.79个百分点，主要作为造纸和草编的原料。研究区农村留守人员多为60岁左右的老年人，草编业用工成本低，部分村镇已形成草编生产基地，产品远销盐城、山东、上海和浙江等地，年消耗稻草量数万t，加工收入数千万元，初步形成了收储、生产和销售的产业链。
2.4.4 基料化和饲料化利用比例低
研究区秸秆基料化和饲料化利用发展缓慢，比例分别为1.43%和0.78%，均低于全国平均水平，饲料化比全国平均水平低了19.42个百分点。研究区养殖业以生猪和家禽为主，食草动物牛羊养殖比例相对较低，再加之技术研发和设备引进较晚，导致秸秆饲料加工规模偏小，利用率偏低。
3 结论与讨论
本研究通过对研究区2019—2023年农作物秸秆资源的评估与分析，发现研究区秸秆可收集总量稳步增长，潜在经济价值较大，其中沼气化理论价值最高，饲料化净收益表现最优，肥料化因成本较低成为主要利用模式。当前县域秸秆资源化存在利用结构失衡、高值化利用比例偏低、收储运成本高、技术与产业配套不足等问题。为推进秸秆高效利用，应从以下几个方面进一步提升秸秆科学还田质量。
3.1 提高秸秆收运储能力，健全收储体系
为推进秸秆离田利用发展，研究区可以争取和利用各级财政资金，购置打捆机、拖拉机等秸秆离田设备，持续提升秸秆离田作业能力。根据农作物种植面积、区域分布及秸秆产量，科学规划秸秆收储利用站点，通过构建“种植户+村集体+秸秆经纪人”的离田模式，实现田间收集、运输、收购站点与秸秆利用企业之间的有机衔接。
3.2 培育示范企业，推动秸秆离田利用产业化发展
围绕绿色经济发展，积极培育和引导企业，探索秸秆离田利用的高效经济模式。研究区通过申报全国农业科技现代化先行县试点项目，携手高校和科研院所开展技术研发，成功推动了秸秆饲料化示范项目的落地实施。研究区某公司的生物质天然气项目，利用秸秆和养殖粪污等原料进行联合消化处理，已取得显著的生态和经济效益。总结并推广这些项目的先进技术和经营模式，能有效提升秸秆离田利用的产业化水平。